风光互补辅助供电系统在RTG 上的应用研究

2021-02-01曾毅

中国设备工程 2021年1期

曾毅

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

1 系统简介和优点

传统的轮胎式起重机（Rubber Tyre Gantry Crane，简称RTG）是通过柴油发电机组供电给整个RTG 电气系统来实现集装箱的装卸作业，而在装卸集装箱的空闲中，仅仅是空调、控制系统、照明（夜间）在工作，这些辅助设备和控制系统功率远远低于柴油机组功率，因此，导致大功率柴油机低负荷工作、使用效率较低。如果加装蓄电池辅助供电系统，在未进行集装箱吊装时柴油机组停止运行，通过蓄电池辅助供电系统来为必要的照明、空调及相关控制等设备来供电，而当轮胎吊重新吊装集装箱时司机启动主柴油发电机组，系统则又切换到柴油机供电。通过该系统实现节能、环保、减排、降噪的目的。

图1 轮胎吊

2 可行性分析

2.1 风光互补发电系统的常规应用

风光互补发电已有广泛的应用。风光互补发电系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时逆变器将蓄电池组中储存的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。目前，风光互补发电主要用在道路、小区、景观、照明、航标指示供电、摄像头监控电源、通信应用、抽水蓄能等。

2.2 RTG 上的应用可行性

常规的带蓄电池系统的RTG 是利用原来的柴油机组作为充电的设备，节能效果还有很大的提升空间。在RTG 的小车架上可以铺设太阳能电池板。风机的安装基准高度一般是25m，而RTG 的大梁高度接近25m，在端部具备安装小型风力发电机的空间。因此，在RTG 上安装风光互补发电系统方案可行，通过离网风光互补供电系统来为设备进行辅助供电，可以大大减少柴油机的运行时间。

3 市场需求分析

在中东和非洲地区，具备丰富的太阳能资源和风力资源，如何利用好当地的风光资源对振华重工、码头用户都是一个新课题。而该地区的RTG 的小车架上通常有遮阳板，这又给太阳能电池板的铺设提供了便利。如果这一套系统研发成功，将会给用户带来良好的节能效益和环保示范效应，也给振华重工的改造市场带来广阔的前景，这将是一个多方共赢的项目。

4 技术方案分析

4.1 资源条件

经过对中东某地专业气象数据查询，在水平放置的条件下，太阳能辐射资源平均月辐射为4.68kWh/m2/d。

再考虑到风速与时间的概率分布，根据风机的风速功率曲线图和实际项目经验，现场2kW 风机年平均输出功率约为450W，因此，结合上述数据可以看出，当地的太阳能资源和风力资源都十分丰富，适合风光互补发电来组成辅助风光互补发电系统。

4.2 系统方案

4.2.1 供电容量

蓄电池辅助供电系统的配置与负载容量以及用电量有关，根据用户需求负载供电方式具体为：（1）PLC 电源和控制电源：单相，AC460V 供电，功率为AC460V/3600VA；（2）电气房1#空调（24000BTU）和灯，功率分别为AC220V，2300W，AC220，150W；（3）司机室空调（12000BUT）和灯，功率分别为AC220V，1200W，AC220，75W；（4）小车架4个投光灯，功率为AC220V/500W。总用电需求约为8900VA。

4.2.2 辅助供电系统

整个轮胎吊风光互补辅助供电系统包含小型风力发电机、太阳能光伏阵列、风光互补控制器、锂电池组、离网逆变器、锂电池充电器、配电柜及用电系统。

（1）风力发电机：项目地风力资源丰富，安装风力发电机是经济和理想的方案，可以安装在轮胎吊大梁的顶端位置，风机的三相输出通过风光互补控制器给蓄电池充电。

（2）太阳能光伏组件阵列：根据蓄电池组系统电平特点，选择合适的组件串联电压，通过汇流箱将光伏组件并联输出后输入风光互补控制器来为蓄电池充电。

（3）柴油机在工作时，柴油机的输出可以通过专用锂电池充电器为蓄电池补充充电。

（4）电池组：在系统中，由于风光互补给电池充电功率较大，且考虑负载输出功耗较大的影响，选择192V 电压的锂电池电池系统，根据储电容量选择合适的锂电池模组串并组合。

（5）风光互补控制器：风光互补控制器在整个系统中是核心设备，其可以将风力发电机的三相交流输出和太阳能电池组的直流输出转换为直流电压为蓄电池组进行充电，风光互补控制器可以根据所选择的蓄电池种类选择相符的充电控制程序。

（6）逆变器：此处选择的是三相交流逆变器，逆变器的输出能力根据负载的特性需要考虑余量。通常情况下，所负责的负载正常情况由外部电源即柴油发电机发出的电能供应，当外部电源消失后，立即切换到逆变器供电，而当柴油机启动后，重新切换到柴油机供电，从而实现节能。

（7）供电负载：供电负载主要为PLC 相关控制设备（原来通过AC460V/110VAC 变压器供电，现改造为通过380VAC/110VAC 变压器供电），电气房1#空调和照明和司机房空调和照明、小车架投光灯等。

4.3 工作原理

（1）整个轮胎吊的负载分为集装箱操作主负载和辅助负载，柴油机组工作时，全部负载由配电柜切换为柴油机供电。

（2）柴油发电机由于长时间无集装箱操作任务时，则停止工作，此时，辅助负载则经过配电柜切换为逆变器供电。

（3）在辅助系统供电中，两组风力发电机、太阳能阵列和锂电池充电器都可以为电池组充电。其中，风机和太阳能电池组可以通过风光互补控制器对锂电池组进行充电，与专用锂电池充电器相互独立。在柴油机停机时，逆变器则开始为辅助负载供电。

（4）逆变器最大工作时长与辅助负载功率和电池容量相关，在该方案中，锂电池容量设计为56.8kWh，在充满电情况下，可支持8.9kVA 的负载最大工作4h。当电池容量较低处于警戒线时，风光互补控制器则可以为柴油发电机提供启动信号以便及时启动柴油发电机，通过配电柜切换到柴油机供电确保辅助负载的供电。

（5）当柴油发电机组开始供电时，配电柜自动将负载切换为柴油发电机供电。

4.4 关于设备安装与组件清洗

设备的安装主要是风力发电机组的安装和太阳能组件的安装。风力发电机组的安装可以根据机组的接口和轮胎吊平台上设置相应的连接杆装置。而太阳能组件可以根据小车架的遮阳棚设计相应的组件支架。

项目当地在夏天沙尘暴天气比较多，由于风力发电机组发电组件都为密封，因此，沙尘暴不会对风力发电机组造成影响，而太阳能电池组件则因为灰尘的遮挡会影响其发电量，需要进行处理，具体的方案是在组件表面安装清扫装置。实现过程如下：清扫装置无须对光伏组件进行任何改造，能直接依附于光伏组件自动行走、自动清扫，并可以设定不同的工作模式，清扫完毕时，可以自动离开光伏组件，不对光伏组件造成遮挡阴影。可以手动控制其开启清扫模式，也可以根据需求设置自动清扫周期，最终实现清扫装置全过程的自动控制。